Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México
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Información Tecnológica
Aire
Vol.Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México
19(1), 45-56 (2008) Luna
Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en
Mexicali, México
Aníbal Luna1, Nicolás Velázquez2, Ricardo Gallegos1 y Gonzalo Bojorquez1
Universidad Autónoma de Baja California, (1) Facultad de Arquitectura y Diseño, (2) Instituto de
Ingeniería, Calle de La Normal e Ignacio López Rayón s/n, Unidad Mexicali, 21280 Mexicali,
Baja California-México (e-mail: {anibal, nicolasvelazquez, rikrdo, gonzalobojorquez}@uabc.mx)
Resumen
El objetivo del presente trabajo es dimensionar y evaluar un sistema de enfriamiento por absorción
LiBr-H2O asistido con energía solar y gas natural, para climatizar un conjunto de viviendas en
Mexicali, Baja California, México. El análisis de comportamiento horario, diario y mensual en el
periodo con mayor demanda de enfriamiento se realiza con el programa TRNSYS 16 y se busca la
menor área de captación y la mayor fracción solar. Esto se traduce en el mínimo costo de operación
e inversión inicial. Se encontró que el sistema genera condiciones del espacio entre
confortablemente caliente y confortablemente frío, según la norma ISO 7730 (2005). Esto se logra a
partir de 287 m2 de tubos evacuados, que aportan el 90% de la energía requerida. El sistema es
técnicamente factible, ya que cubre la demanda de enfriamiento durante el periodo de verano y
requiere un área de colección similar a la disponible en el conjunto de viviendas.
Palabras clave: absorción de LiBr-H2O, fracción solar, confort térmico, energía solar, climatización
Solar Air Conditioning for a Housing Compound in
Mexicali, Mexico
Abstract
The objective of the present work is to dimension and evaluate an absorption LiBr-H2O cooling
system assisted by solar energy and natural gas for air conditioning of a group of housings in
Mexicali, Baja California, Mexico. The analysis of the hourly, daily and monthly operating performance
in the period with more cooling demand is carried out by mean of TRNSYS 16, and it is seeking the
least collection area and the highest solar fraction; that which is translated in the minimum operation
cost and initial investment. It was found that the system generates conditions of the space between
comfortably warm and comfortably cold, according to ISO 7730 (2005), with 287 m2 of evacuated
tubes which contribute 90% of the required energy. The system is technically feasible, since it covers
the cooling demand during the summer period and it requires a similar collecting area to the available
one in the housing compounds.
Keywords: absorption LiBr-H2O, solar fraction, thermal comfort, solar energy, air conditioning
Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008 45Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna INTRODUCCIÓN El clima cálido seco de Mexicali, Baja California, México, provoca grandes demandas de energía eléctrica para mantener los espacios en confort térmico. Las temperaturas promedio máximas llegan a 42 ºC (con máximas extremas de 49 ºC). La alta disponibilidad de energía solar, representa una oportunidad para el uso de sistemas térmicos de enfriamiento (Hans-Martin, 2007; Papadopoulos et al., 2003), y contribuye en la disminución del efecto invernadero por emisiones de CO2. Además de reducir daños a la capa de ozono por clorofluorocarbonos (CFCs) (Florides et al., 2002a). Los sistemas de mayor predominancia, son los de bromuro de litio-agua (LiBr-H2O) y los de amoniaco-agua (NH3-H2O) (Srikhirin et al.,2001). En la última década se han hecho estudios de simulación de estos sistemas, (Assilzade et al., 2005; Florides et al., 2002a y b), en los que se establecen estrategias y métodos de optimización para selección de: dimensionamiento de tanque, tipo de colector, área de colección, inclinación de colector y temperatura óptima de operación del calentador auxiliar. Otro estudio experimental es el de Syed et al. (2005), los cuales estudian un sistema de enfriamiento solar (SES) con capacidad de 35 kW, operado en las horas con disponibilidad de recurso solar. Sin embargo, para establecer las mejores condiciones de operación del sistema, es necesario conocer el comportamiento simultáneo de todos los subsistemas de la unidad de aire acondicionado solar, a lo largo de todo el periodo de demanda de enfriamiento. El objetivo del presente trabajo es realizar el dimensionamiento y análisis detallado de factibilidad técnica operativa de un sistema de enfriamiento termosolar por absorción de LiBr-H2O. El cual será utilizado en un conjunto habitacional de construcción en serie, cuyo prototipo representa el 85% de un fraccionamiento compuesto por 9,500 viviendas, construidas entre 1995 y 2004 en Mexicali, Baja California, México. El comportamiento térmico de la envolvente y la influencia que propicia el sistema de enfriamiento solar en las condiciones de confort térmico, se evalúa a través del programa TRNSYS 16; operado a partir de un archivo de año típico meteorológico (TMY). Para el análisis del comportamiento operativo de los subsistemas, se realiza un estudio horario, diario y mensual del periodo de demanda de enfriamiento. A partir de dicha información se establece el potencial de aplicación de la tecnología de climatización solar de un conjunto habitacional de 5 viviendas. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO TERMOSOLAR En la figura 1, se muestra el esquema del sistema de enfriamiento solar, compuesto por 7 subsistemas: 1) Edificación, 2) Captación solar y almacenamiento térmico, 3) Suministro de agua caliente, 4) Agua de enfriamiento, 5) Sistema de enfriamiento, 6) Agua fría y 7) Aire frío. La unidad utilizada en el estudio, es un equipo YASAKI de 35.2 kW (126720 kJ/h), modelo WFC- SC10 que emplea la solución de LiBr-H2O como fluido de trabajo. Dicha unidad opera a través de un fluido caliente entre 75 y 101 °C (agua-etilenglicol). El fluido caliente produce la ebullición de la solución de LiBr-H2O y posteriormente conduce el vapor de agua generado (refrigerante) hacia el condensador. En el condensador, el vapor es enfriado y condensado por el agua de la torre con temperatura de entre 24 y 31 °C. La torre extrae el calor tanto del condensador como del absorbedor. El refrigerante condensado, es dirigido en forma líquida al evaporador a través de una válvula de expansión que mantiene la baja presión en la sección del evaporador y absorbedor, lo que provoca que el agua evapore a baja temperatura. Por otro lado, la corriente de agua a enfriar entra al evaporador a temperatura entre 7 y 13 °C, lo que representa suficiente gradiente de temperatura para evaporar el refrigerante procedente del condensador; a la vez que se provoca el enfriamiento de la corriente de agua que pasa por el evaporador. De forma simultánea, la solución en el absorbedor procedente del generador atrapa el vapor de agua y se obtiene una solución diluida de LiBr-H2O que es llevada por medio de una bomba al generador. Cuando la solución de LiBr-H2O es llevada por la bomba hacia el generador, pasa a través de un intercambiador de calor que tiene la función de enfriar la solución procedente del generador y calentar la solución que va hacia el generador, con lo que se obtiene integración energética interna. Finalmente, la solución diluida llega al generador para iniciar de nuevo el ciclo. 46 Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008
Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna
Fig. 1: Sistema de enfriamiento solar
MÉTODO DE SIMULACIÓN
Para dimensionar y conocer el comportamiento operativo del sistema de enfriamiento solar, se
elaboró una estrategia de simulación utilizando TRNSYS 16. El simulador, en general cuenta con una
estructura modular que divide el sistema en una serie de “types” (componentes), que son
interconectados entre si y compilados a través la interface TRNSYS Studio. En la tabla 1, se
muestran los componentes utilizados en la simulación.
Tabla 1: Componentes utilizados para simulación de sistema de absorción
COMPONENTE No. Componente
Archivo meteorológico 109
Colector de tubos evacuados 538
Tanque almacenamiento térmico 4
Bomba de flujo variable 110
Control variable 22
Control de encendido / apagado 2
Divisor y mezclador de flujo 11
Torre de enfriamiento 51
Sistema de absorción 107
Bomba de flujo constante 3
Calentador auxiliar 6
Manejadora de aire 508
Sombras y partesoles 34
Propiedades del aire ambiente 33
Temperatura efectiva del cielo 69
Edificio 56
Con la finalidad de simular el sistema de aire acondicionado solar bajo condiciones similares a la
operación real, la alimentación de la información de los equipos se realiza con datos técnicos
proporcionados por los fabricantes de los mismos. Una vez seleccionados los equipos que
componen el sistema de enfriamiento solar, se procede al análisis detallado, y se sigue el método
mostrado en la figura 2, con la finalidad de verificar si el sistema cumple con las condicionantes
siguientes:
1) Temperatura de salida del agua caliente del tanque entre 75 y 101 °C, si esta condición se
cumple la fracción solar debe ser mayor al 90 %, si las condicionantes anteriores no se cumplen,
la energía faltante se suministra a través de un sistema de calentamiento auxiliar.
2) Temperatura de alimentación del agua de enfriamiento entre 24 y 31 °C, rangos especificados
por el fabricante para el adecuado funcionamiento de la unidad.
3) Condiciones de confort térmico del espacio según norma (ISO 7730, 2005), con PMV (Predicción
del voto promedio) entre ±1 (-1 confortablemente caliente, 1 confortablemente frío).
4) Capacidad de la máquina de enfriamiento solar, suficiente para cubrir los requerimientos de
demanda de enfriamiento total del conjunto de 5 viviendas.
Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008 47Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna
INICIO
SELECCIÓN DE MÓDULOS
DATOS PARA DIFERENTES SUBSISTEMAS
SISTEMA SOLAR PROPUESTO
(Subsistemas)
TORRE DE ENFRIAMIENTO
Aire y Flujo de agua
COLECCIÓN SOLAR Y ALMACENAJE
Área de colección, Flujo, Tamaño de tanque
CONJUNTO DE VIVIENDAS
Número de casas
Estrategias bioclimáticas
Sistemas constructivos
MANEJADORAS DE AIRE
Temperatura y Flujo de salida del aire
SIMULACIÓN
No
No
Fracción
75°C= T, tanque = 101°C
solar =90%
Si CALENTADOR AUXILIAR Si
(1-Fracción solar)
No
24°C= T, torre = 31°C
Si
No
-1 = PMV = 1
Si
No
Carga Enfriamiento = 35.2kW
Si
ANÁLISIS FINAL
FIN
Fig. 2: Diagrama de flujo para dimensionamiento de sistema y simulación
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En ésta sección, se realiza el estudio de comportamiento operativo del SES durante el periodo de
máxima demanda de enfriamiento. Para el análisis de resultados se describen las características
constructivas de la envolvente de la edificación, las condiciones climáticas del lugar y la
disponibilidad del recurso solar. Posteriormente se presenta el comportamiento de cada uno de los
subsistemas y se finaliza con el análisis a detalle de los parámetros importantes del sistema global.
Edificación
Las condiciones de confort térmico de la edificación dependen del clima, propiedades térmicas de los
sistemas constructivos y de las cargas internas. Las condiciones del aire del espacio, se evalúan a
partir del componente 56, y se determina la temperatura y humedad relativa de las viviendas. En la
tabla 2 se muestra el prototipo de viviendas simulado, con un área construida de 43.5 m2, cuenta con
dos recámaras, espacio múltiple sala-comedor-cocina y un baño. La altura de piso a techo es de
2.40m y un volumen de construcción de 106 m3. El área de cada una de las superficies de la
envolvente arquitectónica y las capas que componen los sistemas constructivos se muestran en la
tabla 2.
48 Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna
Tabla 2: Prototipo, sistemas constructivos y áreas de superficies de la envolvente del edificio
Elemento Área (m2) Sistemas constructivos Prototipo
Piso 43.5 Muros: Bloque concreto 0.12 m, con
Techo 43.5 0.01m mortero al norte, sur y este. Oeste
Muros Norte 13.81 igual, con 0.02 m de poliestireno.
Ventanas norte 1.80 Techos: Concreto y casetón de
Puerta 2.05 poliestireno 0.15 m mas 0.01 m de
mortero, 0.05m de poliestireno en
Muros Sur 15.39
exterior, membrana y lámina asfáltica.
Ventanas sur 2.00 Piso: Concreto armado de 0.10 m, con
Muros Este 25.13 loseta cerámica, mortero cemento -
Muros oeste 24.15 arena de 0.01 m.
Ventanas oeste 0.24 Puertas: Madera de pino (tipo tambor),
Puerta 1.64 de 0.03 m de espesor.
Muros Interiores 30.86 Ventanas: Vidrio claro sencillo de 0.003
m
Clima
El clima, es un factor importante para la operación del sistema de acondicionamiento de aire
termosolar. Para el análisis climático de Mexicali, Baja California, se consideró un archivo de año
típico meteorológico generado por Gallegos et al. (2006) con datos medidos del 2000 al 2005,
proporcionados por el Servicio Meteorológico Nacional.
La figura 3 muestra que la temperatura ambiente promedio diaria (Tamb) es mayor a 30 °C del 16 de
mayo al 30 de septiembre, sin embargo, el periodo crítico se da en los meses de julio y agosto con
temperaturas promedio máximas de 38 °C y máxima extrema de 46 °C. En lo que respecta a los
registros de humedad relativa (HR), se observa que se cuenta con valores entre 60 y 80% con
registros máximos durante el mes de septiembre. Por otro lado la disponibilidad de radiación solar
(Rs_HOR) en el periodo de verano es mayor en los meses de mayo y junio con una máxima radiación
solar diaria integrada de 2,199 kJ/m2
Temperatura ( °C ) Humedad relativa ( % )
Tamb
HR
2040
Radiación solar horizontal (kJ / m2 )
90 Rs_HOR
1730
70
50 1420
30 1110
10 800
30-Jun
28-Oct
31-May
29-Aug
28-Sep
1-May
30-Jul
Fig. 3: Clima del periodo de requerimiento de enfriamiento
Captación solar y almacenamiento térmico
El sistema de colección solar está compuesto por 287 m2 de colectores de tubos evacuados, con una
eficiencia de colección al origen de 0.87. El área disponible en las viviendas es de 240 m2 por lo que
es necesaria una pequeña extensión de techo para colocación de colectores. Con el área propuesta
Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008 49Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna
se aporta el 90% de la energía demandada por el sistema de absorción, sin embargo, una mayor
área no incrementa significativamente la fracción solar. En la figura 4 se puede observar que cuando
se disminuye el área de colección se incrementa la demanda de calor auxiliar, por lo que se debe
buscar un compromiso entre estos dos parámetros. Para obtener una operación continua durante
todo el periodo de demanda de enfriamiento, se propone un tanque de almacenamiento de 24 m3, ya
que con un tanque más pequeño la temperatura del líquido caloportador es menor a los
requerimientos del sistema de absorción durante las horas nocturnas, lo cual coincide con los
estudios realizados por Florides et al. (2002a). En la figura 5 se observa que durante julio y agosto, la
demanda de energía del SES genera una disminución de la temperatura de entrada al arreglo de
colectores (Te_Col). Lo que provoca una mayor obtención de calor útil (Qutil). Sin embargo, es
necesaria la aportación de calor auxiliar (Qaux) en los periodos críticos para la operación óptima del
SES.
Por otro lado, en el periodo de mayo a junio la temperatura del tanque de almacenamiento térmico se
incrementa por encima de los 100 °C; enviando el fluido caloportador a altas temperaturas al arreglo
de colectores, debido a la baja demanda de energía por parte del SES. Esto hace que el agua
enviada al sistema de colectores obtenga un bajo Qutil en las horas con disponibilidad de radiación
solar. El mismo efecto se repite en octubre, en el que se presenta el periodo con menor obtención de
Qutil, ya que la Tamb disminuye por debajo de los 30 °C, requiriéndose menor enfriamiento en las
edificaciones, lo cual se traduce en una menor demanda de energía por parte del SES,
obteniéndose aún con una baja disponibilidad de radiación solar, altas temperaturas en el tanque de
almacenamiento.
Calor auxiliar ( kJ / periodo)
1.2E+08 0.90
Fracción solar
0.85
9.8E+07
0.80
7.8E+07 Qaux 0.75
FrSol 0.70
5.8E+07
0.65
3.8E+07 0.60
205 225 246 267 287
Área de colección ( m2 )
Fig. 4: Estudio de optimización de colección solar
145 3.6E+05
130
2.9E+05
Temperatura ( °C )
Energía (kJ / día )
115
2.2E+05
100
Te_Col
85 Ts_Col 1.4E+05
Qutil
70 Qaux
7.2E+04
55
40 0.0E+00
30-Jun
28-Oct
29-Aug
28-Sep
May
1-May
30-Jul
31-
Fig. 5: Comportamiento del sistema de colección solar
50 Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna
Suministro de energía al sistema
Para una correcta operación del SES, el fluido caloportador enviado del tanque de almacenamiento
al generador (Te_Gen), deberá estar entre 75 y 101 °C; de tal manera que se garantice un coeficiente
de operación (COP) mayor a 0.5 y se produzca una adecuada ebullición de la solución diluida. Para
tal efecto, se propone un sistema a gas natural, con una capacidad máxima de 180,720 kJ/hr.
Con la finalidad de obtener el mejor funcionamiento del SES a la máxima fracción solar (Fr_sol), se
realiza una serie de simulaciones exploratorias, fijando diferentes temperaturas de operación del
calentador auxiliar. Los resultados se pueden observar en la figura 6. El estudio muestra que la
temperatura mínima óptima de entrada al generador es 80 °C, ya que es el punto en el que se
obtiene la máxima facción solar ( 90%) y como consecuencia, en la temporada solo se requiere de
un 10% de Qaux para cubrir la demanda de energía del SES.
Si se disminuye la temperatura de operación del calentador auxiliar al mínimo (75 °C), es necesario
un 59% más de Qaux respecto al requerido con operación óptima de 80 °C. También se observa que
al incrementar el punto de consigna a 100 °C, se requiere del 4% más de Qaux. Cabe señalar que
cuando la temperatura de operación se maneja en 82 °C, no existe diferencia significativa en la Fr_sol,
ni en la demanda de Qaux.
En la figura 7, se puede observar, que de julio a septiembre la Te_Gen se encuentra la mayor parte del
tiempo entre 80 y 85 °C, algunos periodos con temperaturas superiores a los 90 °C. Lo anterior es
debido a que el decremento de Tamb provoca menor carga de enfriamiento en el conjunto de
viviendas y hace que incremente la temperatura del fluido en el tanque de almacenamiento.
El mismo fenómeno se produce en mayo, junio y octubre, pero en esos casos la Te_Gen excede el
límite superior. Este excedente de energía, puede ser utilizado por un sistema de calentamiento de
agua para uso domestico, además de utilizarse para calefacción de las viviendas a través de piso
radiante; obteniendo de esta forma, un sistema integral de agua caliente, calefacción y enfriamiento
durante el periodo anual, con esta integración se hace más rentable el sistema de colección y
almacenamiento solar.
El sistema de colección solar, tiene la mayor demanda de energía térmica (Qr_AC) por parte del SES,
en los meses de julio y agosto, lo que implica una extracción promedio de 1.5x105 kJ/día. Sin
embargo, durante los meses de mayo, junio y septiembre disminuye a 1.3x105 kJ/h, debido a la
reducción de Tamb; con valores promedio diarios ligeramente superiores a los 30 °C. Por otro lado, la
demanda de enfriamiento en octubre, disminuye a 1.2x105 kJ/día, ya que la Tamb promedio diaria es
menor a 30 °C.
92
Fr_Sol
Calor auxiliar ( kJ / periodo )
6.1E+07
Qaux
Fracción solar ( % )
90 5.6E+07
5.2E+07
88
4.7E+07
86
4.3E+07
84 3.8E+07
75
78
80
82
85
90
95
100
Temperatura del auxiliar ( °C )
Fig. 6: Estudio de optimización del calentador auxiliar
Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008 51Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna
1.7E+05
135
125 1.4E+05
Energía ( kJ / día )
Temperatura ( °C )
115
1.0E+05
105
95 6.8E+04
Te_Gen
85
Ts_Gen
3.4E+04
Qr_AC
75
65 0.0E+00
29-Aug
28-Sep
1-May
30-Jul
28-Oct
30-Jun
31-May
Fig. 7: Energía removida por el sistema de absorción
Agua de enfriamiento
En los sistemas de enfriamiento por absorción de LiBr-H2O, es importante un adecuado
dimensionamiento de la torre de enfriamiento (TE), ya que el SES demanda temperatura de salida de
la torre de enfriamiento (Ts_Trre) entre 24 y 31 °C, para garantizar el correcto funcionamiento de la
unidad; además de evitar problemas de cristalización del LiBr. Para tal efecto se considera una TE
de ciclo abierto, con un flujo de agua de 18,360 kg/h, para remover un máximo de energía (Qr_Trre) de
3.1x105 kJ/h. El flujo de aire es variable, desde un máximo de 7000 m3/h a un mínimo de 1,500 m3/h.
Como se esperaba, el máximo Qr_Trre se da en los meses de julio y agosto, con una extracción entre
2.4x105 y 2.7x105 kJ/día, de agua con temperatura promedio diaria de entrada (Te_Trre) entre 31 y
33°C, entregando al sistema una Ts_Trre promedio diaria entre 28 y 30 °C, como se puede observar en
la figura 8.
El estudio de Chan et al. (2004), muestra que cuando Ts_Trre entra a valores cercanos al límite de
operación del sistema, se ve afectada la producción de agua fría, ya que genera un incremento de la
concentración de la solución y disminuye la transferencia de calor del absorbedor; con lo que se
provoca una disminución del potencial de absorción de la solución. Mayo y octubre son los meses
con menor Qr_Trre y no representan ningún problema de cristalización del LiBr, ya que Ts_Trre se
encuentra entre 27 y 28 °C.
35
34 2.4E+05
Energía ( kJ / día )
Temperatura ( °C )
33
32 2.0E+05
31
1.5E+05
30
29 1.0E+05
28
Te_Trre 5.7E+04
27 Ts_Trre
Qr_Trre
26 1.0E+04
29-Aug
28-Sep
30-Jul
1-May
30-Jun
28-Oct
31-May
Fig. 8: Torre de enfriamiento
52 Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna
Agua fría
La temperatura del agua fría que entra a las manejadoras de aire (Te_AF) se establece en 8 °C, con
temperatura de retorno (Ts_AF) al sistema de absorción de 12.5 °C, después de retirar energía del aire
(Qr_Air) que proviene del conjunto de viviendas. En la figura 9, se muestra que en mayo, junio,
septiembre y octubre la Te_AF opera en condiciones óptimas. Sin embargo, en los meses de julio y
agosto la Te_AF es mayor a la temperatura de diseño. Lo anterior debido a que el sistema de
enfriamiento remueve del aire del espacio 1.0x105 kJ/h, cantidad de energía cercana a la capacidad
nominal del SES (1.3x105 kJ/h). Además de que la Te_Trre, cuenta con valores cercanos a los 31 °C,
límite superior de entrada. Esto trae como consecuencia, que la unidad de absorción trabaje en
forma ineficiente y disminuya su capacidad.
Aire frío
Para climatización de los espacios de las viviendas, se utilizan manejadoras de aire que
deshumidifican y enfrían el aire por medio de agua fría procedente del ciclo de absorción.
El subsistema de aire frío está compuesto por cinco unidades manejadoras, que retiran la energía del
aire del espacio (Qr_Air) a través de 1,100 kg/h de agua fría, con un volumen de aire de 2,072 kg/h, a
una capacidad nominal de enfriamiento de 31,652 kJ/h. La climatización del espacio se realiza por
medio de aire frío con temperatura de 16 °C (Ts_AirMJ), para mantener la temperatura del espacio entre
23 y 28 ºC.
En la figura 10, se puede apreciar que la Ts_AirMJ suministrado a las viviendas se mantiene entre 16 y
17 °C, con lo que se obtienen temperaturas del aire de las viviendas (T_esp) a un promedio diario de
entre 23.5 y 25°C. Los periodos de mejor operación de las manejadoras de aire se dan del 1ro de
mayo al 30 de junio y desde el 9 de septiembre al 31 de octubre, a partir de una Ts_AirMJ de 16 °C, que
remueve un máximo de 9.8x104 kJ/h.
Por otro lado, el periodo crítico en la operación del SES, se da del 1ro de julio al 8 de septiembre,
con una Ts_AirMJ promedio diaria de 17 °C, que retira un promedio diario de 1.0x105 kJ/h. En lo que
respecta a las temperaturas proporcionadas por la calidad del aire de las manejadoras, en la figura
11, se puede observar que la T_esp se mantiene entre 24 y 25 °C. Además de que la HR de las
viviendas se mantiene entre 45 y 65% la mayor parte del tiempo. La mayor HR del espacio se
presenta en el mes de octubre con valor promedio diario máximo de 75%.
17 1.1E+05
15 8.8E+04
Energí a ( kJ / día )
Temperatura ( °C )
13 6.6E+04
11 4.4E+04
Te_AF
Ts_AF
9 Qr_Air 2.2E+04
7 0.0E+00
28-Oct
30-Jun
31-May
29-Aug
28-Sep
1-May
30-Jul
Fig. 9: Energía removida en agua fría
Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008 53Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna
26 1.1E+05
24
Temperatura ( °C )
Energía ( kJ / día )
9.6E+04
22
20 8.8E+04
Te_AirMJ
Ts_AirMJ
18 Qr_Air
7.9E+04
16
14 29-Aug 7.0E+04
28-Sep
1-May
30-Jul
28-Oct
30-Jun
31-May
Fig. 10: Energía removida por el aire frío
En la figura 11, se observa que la predicción del voto promedio del espacio (PMVesp) propiciado por
la temperatura del aire de las unidades manejadoras está entre 0.2 y 0.4, la mayor parte del periodo
de máxima demanda de enfriamiento. Lo que indica que de acuerdo a la escala de confort térmico
según ISO:7730 (2005) los espacios se encuentran en condiciones de confort óptimo según los
limites siguientes: -3 Extremadamente frío, -2 Demasiado frío, -1 Confortablemente frío, 0
Confortable, 1 Confortablemente caliente, 2 Demasiado caliente, 3 Extremadamente caliente. Lo
anterior considerando que los usuarios visten ropa ligera equivalente a 0.6 clo, con actividad
metabólica ligera de 1.2 met.
Existen algunos periodos en los cuales el PMVesp incrementa ligeramente a valores de entre 0.47 y
0.45, esto debido a que la unidad de enfriamiento no envía agua fría con suficiente gradiente de
temperatura respecto a la temperatura del aire interior del espacio.
75 1.2
Temperatura ( °C) Humedad Relativa (%)
T_esp
PMV ( Predicción del voto promedio )
HR_esp
PMVesp
65 1
55 0.8
45 0.6
35 0.4
25 0.2
15 0
29-Aug
28-Sep
1-May
30-Jul
30-Jun
28-Oct
31-May
Fig. 11: Climatización del espacio de las viviendas
54 Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna
Eficiencia total del sistema
A la combinación de la eficiencia del campo de colectores y del COP del ciclo de absorción se le
conoce como eficiencia total del sistema o COPsolar y se obtiene a partir del producto de ambos
(García-Casals, 2006). Entre los factores que afectan al COPsolar están: temperatura ambiente,
humedad relativa, área de captación solar, ángulo de incidencia con respecto al campo de
colectores, entre otros.
Cuando se equilibra la eficiencia del sistema de colectores (Eff_Col) con el COP del ciclo de absorción,
se adquiere el máximo COPsolar. Esto significa un mayor aprovechamiento de la energía solar para
producción de agua fría en el SES.
En la figura 12, se puede observar que el COPsolar promedio diario del sistema simulado durante los
meses críticos de julio y agosto, se encuentra entre 0.28 y 0.38, esto debido al clima y la alta
demanda de enfriamiento, que disminuye la temperatura del tanque de almacenamiento térmico al
mínimo permitido para operación de la unidad de absorción. Lo anterior genera una buena obtención
de Qutil del campo de colectores, e incrementa la eficiencia de captación solar.
0.8
0.7
0.6 Ef_COL
Eficiencia y COP
COP_SA
0.5
Ef_TOT
0.4
0.3
0.2
0.1
0
30-Jul
28-Oct
1-May
31-May
30-Jun
29-Aug
28-Sep
Fig. 12: Comportamiento total del sistema
CONCLUSIONES
Los resultados muestran que el sistema propuesto es técnicamente factible, ya que cubre la
demanda de enfriamiento durante el periodo de verano, a través de un área de colección solar similar
a la disponible en el conjunto de viviendas.
Se demuestra que la unidad de absorción trabaja con eficiencias (COP) en el rango especificado por
el fabricante, de 0.5 a 0.8, a partir del 90% de energía proporcionada por el campo de colectores
solares y cumple con las restricciones requeridas.
El uso de estos sistemas de enfriamiento repercute en una disminución de contaminación ambiental
ya que solamente es necesaria la quema de combustibles fósiles (gas natural) en un 10%. Por lo
tanto el uso de estos sistemas debería ser ampliamente utilizado para climatización de espacios en
lugares con alta disponibilidad de recurso solar.
El dimensionamiento propuesto de la TE, permite operar en condiciones óptimas al sistema, ya que
proporciona agua de enfriamiento de entre 24 y 31 °C, rango especificado por el fabricante de la
unidad de absorción.
Los resultados de la simulación muestran que el aire frío suministrado a las viviendas, propicia
condiciones de confort térmico, según la escala ISO 7730, para usuarios con una actividad
metabólica de 1.2 met y factor de arropamiento de 0.6 clo.
Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008 55Aire Acondicionado Solar, para Conjunto de Viviendas en Mexicali, México Luna AGRADECIMIENTOS Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por la beca de doctorado; y a la Universidad Autónoma de Baja California (UABC), a través del Instituto de Ingeniería y la Facultad de Arquitectura y Diseño, por el apoyo académico. REFERENCIAS Assilzade, F., S. Kalogiroub, Y. Alia y K. Sopiana; Simulation and optimization of a LiBr solar absorption cooling system with evacuated tube collector. Renewable Energy: 30, 1143-1159 (2005). Chan, W., J. Jin y T. Yong; Energy consumption characteristics of an absorption chiller during the partial load operation. International Journal of Refrigeration: 27, 948–954 (2004). Florides, G., S. Kalogirou, S. Tassou y L. Wrobel; Modelling, simulation and warming impact assessment of a domestic-size absorption solar cooling system. Applied Thermal Engineering: 22, 1313-1325 (2002a). Florides, G., S. Kalogirou, S. Tassou y L. Wrobel; Modelling and simulation of an absorption solar cooling system for Cyprus. Solar Energy: 72, 43–51 (2002b). Gallegos, R., A. Luna, N. Velázquez y G. Bojórquez; Simulation study on the limitations of the use of evaporative cooling for air conditioning in hot arid climate of Mexicali. Mexican National Solar Energy Week Conference. Proceedings of ANES/ASME Solar Joint 2006,1-4, Veracruz, México. October 2-6 (2006). García-Casals, X; Solar absorption cooling in Spain: Perspectives and outcomes from the simulation of recent installations. Renewable Energy. 31, 1371-1389 (2006). Hans-Martin, H; Solar assisted air conditioning of buildings-an overview. Applied Thermal Engineering: 27, 1734-1749, (2007) ISO:7730; Ergonomics of the thermal environment–Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria, 1- 52, Switzerland (2005). Papadopoulos, A., S. Oxizidis y N. Kriakis; Perspectives of solar cooling in view of the developments in the air-conditioning sector. Renewable and Sustainable Energy Reviews: 7, 419-438, (2003). Srikhirin, P., S. Aphornratana y S. Chungpaibulpatana; A review of absorption refrigeration technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews: 5, 343–372 (2001). Syed, A. y otros seis autores; A novel experimental investigation of solar cooling system in Madrid. International Journal of refrigeration: 28, 859-871 (2005). 56 Información Tecnológica – Vol. 19 Nº 1 - 2008
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